水文地球化学作用影响下重塑黄土渗透性变化机理研究

The land creation projects currently underway in some cities located in the Loess Plateau of northwest China have formed a large quantity of remolded loess. The variation of permeability for the remolded loess is an important question of scientific interest. However, most of previous studies have focused on the relationship between physical characteristics of loess and its permeability, with great ignorance of the influences of hydrogeochemical interactions between loess and water on the permeability of the remolded loess. This program proposed, taking such land creation projects as background, use field sampling, laboratory experiments, geochemical modeling, microscopic scanning, image processing and fractal theory to study the types and intensity of the hydrogeochemical processes when the remolded loess get contact with water. The amount of mineral precipitation/dissolution occurring during the process is quantitatively calculated through geochemical modeling. On this basis, the temporal variations of loess permeability are analyzed under different compaction intensities, soil intensities, osmotic pressures and permeation water type. The relationship between the permeability and water rock interaction strength is explored. The mechanisms for permeability variation under the influence of hydrogeochemcial processes are determined through microstructure analysis. The results may provide a scientific basis for safeguarding the success of the land creation projects. The study will also promote the development of fluid mechanics of loess and hydrogeochemistry, thus has important significance in various aspects.

我国西北黄土高原多个城市正在进行的“削山造城”重大工程形成了大量的重塑黄土。重塑黄土的渗透性变化研究是一个重要的科学问题。已有研究大多聚焦于重塑黄土的物理性质与渗透性的关系，而有关水文地球化学过程对重塑黄土渗透性影响的研究是该类研究中的薄弱点。本申请项目以该类工程项目为研究背景，采用野外取样、室内实验、地球化学模拟、微观扫描、图像处理和分形理论等技术方法，研究重塑黄土与水体接触后所发生的水文地球化学作用的类型和强度，定量计算反应过程中各矿物的溶解沉淀量。在此基础上，分析不同时期、不同压实度、不同渗透压强和不同渗透液成分下重塑黄土渗透性随时间的变化规律；探讨水岩作用强度与黄土渗透性之间的定量关系；通过微结构扫描等技术研究水岩作用下重塑黄土渗透性的变化机理。研究结果可为工程的顺利进行提供科学依据，并丰富黄土水文地质学的内容，促进黄土渗流力学和水文地球化学的交叉发展，具有重要的研究意义。

重塑黄土的渗透性变化研究是一个重要的科学问题。本项目依托我国西北黄土高原多个城市正在进行的“削山造城”重大工程，通过野外调查、室内击实实验、渗透实验、土样测试、水样测试、水文地球化学模拟、分形理论、统计分析和数值模拟等方法和手段，尤其针对水土相互作用开展了实验和模拟研究，从水化学角度阐明了重塑黄土渗透性变化的机制；通过数值模拟，从减少地下水来源和疏导地下水两个方面，对不同地表入渗量和不同排水措施下的地下水位变化规律进行了预测研究。通过项目研究，项目组发表SCI学术论文20篇，在Springer出版专著章节1章，申请发明专利3项，项目组获得科研奖励2项，获得荣誉和入选人才计划6人次。取得了以下主要研究成果。. （1）根据原状黄土的非均质性和各向异性特征，提出了渗透系数尺度效应的度量方法；分析了高填方黄土体的非均质特征，结合尺度效应和随机分布原理，对随机性较强的黄土填筑体大尺度渗透系数的分布规律进行了研究。（2）深化了利用土壤分形表征土壤非饱和水动力特征参数的方法和理论，发现黄土的孔隙分布维数可以用颗粒体积分布维数来代替，解决了以往工作中需要测定黄土介质孔隙分布这一难题。（3）确定了适用于延安“削山造地”工程施工的最优含水率为16%，通过模拟，研究了黄土高填方土体中含水率分布规律。（4）建立了适用于黄土地区“削山造地”工程的地下水饱和—非饱和三维非稳定模型，研究了盲沟影响下黄土地下水位动态变化规律。（5）阐明了水体渗透过程中各离子浓度变化规律，通过水文地球化学模拟结果确定了反应前后矿物的溶解沉淀量。课题研究成果不仅可以为黄土地区重大工程提供科学支撑，具有重大的实际应用价值，也可促进黄土渗流力学与水文地球化学的交叉发展，具有重要的理论意义。